一种强化氢还原金属氧化物的装置

摘要

本发明涉及一种强化氢还原金属氧化物的装置，即采用等离子体化的氢与金属氧化物发生还原反应的特殊装置，属化学化工工程装置技术领域。本发明的特征是：在反应器中央上设有一阳极板和下部设有由多块金属板铰接构成的阴极带，通过驱动机构的作用，阴极带可按前进方向作循环运行；直流脉冲电源的正负极通过导线分别与阳极板和阴极带相连接；金属氧化物通过给料器进入阴阳极板间的等离子体反应区而被活化的氢离子还原，产物落入集料器中，供气罐中的反应气体可通过气体导入管进入反应器；导入管的四周设有加热器以加热导入的气体。废气或水气从反应器另一端的排出管通过抽气装置而排出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种强化氢还原金属氧化物的装置，即采用等离子体化的氢与金属氧化物发生还原反应的特殊装置，属化学化工工程装置技术领域。

背景技术

以往传统上许多金属氧化物的还原过程主要以碳作为还原剂和能量的提供者。还原过程所消耗的碳，不管是用于还原剂还是用于燃烧，最终都以二氧化碳的形式排放入大气。由二氧化碳所造成的全球温室效应已引起世界各国的高度重视。用碳还原得到的金属，它的碳含量呈饱和态，因此目前钢铁生产中由于系统的碳位和氧位大幅度交替变化，致使整个生产流程变长，处理工序和物料流量的增多，造成物耗和能耗上升。这种过程的不合理性已为许多冶金学家所关注。用氢来取代碳作为金属氧化物的还原剂将解决上述环境和工艺流程问题。

用氢作为还原剂还原金属氧化物时通常采用流化床技术，其技术已进入工业性实验阶段，金属氧化物在富H₂气相下还原率可达到60～70％的水平。提高温度和压力可以加快还原过程的进行。但是提高温度会引起炉料的粘结进而造成还原反应和扩散过程的迟缓，而压力的升高又受反应器结构强度的限制。因此，要使氢还原真正成为传统碳还原过程强有力的挑战者必须寻找出强化氢还原反应的新方法或新装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强化氢还原金属氧化物的装置，也即采用等离子体化的氢与金属氧化物发生还原反应的特殊装置。

本发明的目的是采用如下技术方案来实现的：

本发明的一种强化氢还原金属氧化物的装置，主要包括有密闭反应器、阴阳电极板、直流脉冲电源、氢气和惰性气体气罐、抽气装置、给料器、集料器等，其特征在于密闭反应器内中央上部设有一阳极板，下部设有由多块金属板铰接构成的阴极带，其两端设有驱动轮及驱动机构，通过驱动机构的作用，阴极带成为可按前进方向循环运行的封闭环状金属板带；反应器的一侧设置有一直流脉冲电源，其正极通过导线与阳极板相连接，负极由导线与阴极带相连接；反应器的另一侧设有氢气和惰性气体的供气罐，气体可通过设置于反应器前部的气体导入管进入反应器；导入管的四周设有加热器以加热导入的气体；反应器前端上部还设有一给料器，通过该给料器可将金属氧化物小球团块或粉末散布撒落在环状阴极带上；在阳极板与阴极带之间，在直流脉冲电源产生的脉冲电流作用下，存在等离子体反应区，在循环运行封闭环状的阴极带的尾端下方放置有一集料器；反应器后部有一气体排除管，其管口与抽气装置相连接。

所述的密闭反应器的工作压力为10³-10⁴Pa所述的直流脉冲电源的电压为300V-2000V，脉冲频率为5-5000Hz。

本发明装置的工作原理及其特征如下所述：本发明装置为强化氢还原能力的装置，通过施加物理场把分子氢等离子体化来提高氢还原能力，从而实现金属氧化物的低温还原。其原理是：充分利用非平衡等离子体的化学活性，通过对参加金属氧化物还原的分子氢施加脉冲直流电场，利用体系中存在的少量自由电子受电场的加速而获得很高的动能，这些高能自由电子与氢气分子碰撞，使分子氢发生激发、离解及电离，成为活性的等离子态氢粒子。这些在低温状态下极活泼的氢粒子直接与放置在阴极板上的金属氧化物发生还原反应。由于改变了还原的热力学条件，原本在低温下不能进行的反应变成可能。活泼氢粒子的存在还改善了反应的动力学条件，降低了反应进行的温度并提高了反应速度，最终达到强化化学还原反应的目的。

本发明的装置是利用上述原理而设计的特殊装置，它体现了诸多优点：1.与传统的冶金过程中主要用做热源的高温热等离子体不同，本发明采用的非平衡低温等离子体能充分发挥氢粒子的化学活性作用，真正有效地达到强化氢还原能力的目的，实现氢金属氧化物的低温快速还原。2.本发明装置为无污染的绿色冶金工艺，并具有反应温度低，反应速度快、设备简单和工艺操作方便等优点。

由此可见把分子氢等离子体化，是强化氢还原金属氧化物反应的有效方法，是一项在低温条件下用氢还原金属氧化物的可行技术。

附图说明

图1为本发明强化氢还原金属氧化物装置的结构示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例将本发明装置的结构叙述如下：

实施例一：参见图1，本发明的强化氢还原金属氧化物的装置，主要包括有密闭反应器、阴阳电极板、直流脉冲电源、氢气和惰性气体气罐、抽气装置、给料器、集料器等，密闭反应器1内中央上部设有一阳极板2，下部设有由多块金属板铰接构成的阴极带3，其两端设有驱动轮及驱动机构5，通过驱动机构5的作用，阴极带3成为可按前进方向循环运行的封闭环状金属板带；反应器1的一侧设置有一直流脉冲电源4，其正极通过导线与阳极板2相连接，负极由导线与阴极带3相连接；反应器1的另一侧设有氢气和惰性气体的供气罐9，气体可通过设置于反应器1前部的气体导入管10进入反应器1；导入管10的四周设有加热器11以加热导入的气体；反应器1前端上部还设有一给料器6，通过该给料器6可将金属氧化物小球团块或粉末散布撒落在环状阴极带3上；在阳极板2与阴极带3之间，在直流脉冲电源4产生的脉冲电流作用下，存在等离子体反应区7，在循环运行封闭环状的阴极带3的尾端下方放置有一集料器8；反应器1后部有一气体排除管12，其管口与抽气装置13相连接。

在本发明装置中，其操作过程是：给料器6将金属氧化物小球团块或粉末撒落在循环运行连续环状的阴极带3上，随着该阴极带3的前进运动，金属氧化物进入阴阳极板间的等离子体反应区7而被激活的氢原子还原，输入的气体可以是纯氢或氢与惰性气体氮的混合气体，在直流脉冲电流作用下，在两极间产生电离作用。混合气体中氢的浓度可以为70-100％。被还原的产物落入集料器8中。气体由气源气罐9经带有加热器11的导入管加热后进入反应器1中，还原作用完毕后之水气从反应器1另一端的排气管12通过抽气装置13而排出。

在操作过程中，反应器(1)的工作压力为10³-10⁴Pa，所述的直流脉冲电源(4)的电压为300V-2000V，脉冲频率为5-5000Hz。

现将在本发明装置中作的几项试验叙述如下：

试验一：三氧化二铁的还原。

置Fe₂O₃球团于反应器的阴极板上，反应气体为纯氢气，工作气体压力为1600Pa，还原温度为455℃，施加的直流电压为600V，脉冲频率为4000Hz。还原后的球团产物经检测为金属Fe。不施加电场而在同样气体压力和温度条件下，未发现Fe₂O₃的还原。

实验二：氧化铜的低温还原。

将CuO球团放置于反应器的阴极板上，反应气体为纯氢气，工作气体压力为1500Pa，还原温度为60℃，施加的直流电压为370V，脉冲频率为4000Hz。还原后的球团由原来的黑色变成黄色，产物经检测为金属Cu。不施加电场而在同样气体压力和温度条件下，未发现CuO的还原。

实验三：二氧化锰的还原。

取二氧化锰粉末直接放置于阴极板上，反应气体为80％的氢气和20％的氮气，工作气体压力为6000Pa，还原温度为610℃，施加的直流脉冲电压为1300V，脉冲频率为2500Hz。经20分钟反应完成后，所得产物经检测是金属锰。未在产物中检测出二氧化锰及其它低价氧化锰，而不施加电场而其他条件相同的情况下，不能得到金属锰。